Новая теория показывает, как деформация способствует созданию лучших катализаторов

Катализаторы — это вещества, ускоряющие химические реакции. Подавляющее большинство промышленного катализа включает твердые поверхности, часто металлы, которые катализируют реакции в жидкостях или газах.

Каталитический нейтрализатор на автомобиле, например, использует металлические катализаторы для удаления токсинов из выхлопных газов. Также есть интерес к использованию металлических катализаторов для превращения диоксида углерода в топливо, изготовления удобрений из атмосферного азота и стимулирования реакций в автомобилях с топливными элементами.

Исследования последних лет показали, что приложение деформации к металлическим катализаторам — сжатие или растяжение — в некоторых случаях может изменить их работу.«Напряжение — действительно актуальная тема в катализе прямо сейчас», — сказал Эндрю Петерсон, доцент инженерной школы Брауна и соавтор исследования. «Мы начинаем видеть вещи, происходящие под напряжением, которые нелегко объяснить традиционной теорией работы катализаторов.

Это заставило нас задуматься об альтернативной структуре для этого вопроса».Металлический катализатор работает, заставляя реагенты связываться с его поверхностью, процесс, известный как адсорбция.

Адсорбция разрывает химические связи молекул реагентов, позволяя протекать различным стадиям химической реакции на поверхности металла. После завершения стадий реакции конечный продукт выделяется из катализатора посредством обратного процесса, называемого десорбцией.

Ключевым свойством катализатора является его реакционная способность, означающая, насколько прочно он связывает химические молекулы со своей поверхностью. Катализаторы должны быть в некоторой степени реактивными, чтобы произошло связывание, но не слишком реактивными. Слишком высокая реакционная способность приводит к тому, что катализатор слишком плотно удерживает молекулы, что может затруднить некоторые стадии реакции или сделать так, чтобы конечные продукты не могли десорбироваться.

В последние годы было показано, что приложение напряжения к катализатору может регулировать его реакционную способность, и существует хорошо обоснованная теория того, как он работает. Вообще говоря, теория предсказывает, что деформация при растяжении должна увеличивать реактивность, а сжатие — уменьшать ее. Однако Петерсон и его группа продолжали сталкиваться с системами, которые нелегко объяснить с помощью теории.Это заставило исследователей задуматься о новом взгляде на проблему.

Традиционная теория описывает вещи на уровне электронов и электронных зон. Новая теория немного уменьшает масштаб, вместо этого сосредотачиваясь на механике взаимодействия молекул с атомной решеткой катализатора.Петерсон и его команда показали, что молекулы, связанные с поверхностью катализатора, будут стремиться либо раздвигать атомы в решетке, либо сближать их, в зависимости от характеристик молекул и мест связывания. Различные силы, создаваемые молекулами, имеют интересные последствия для того, как внешняя деформация должна влиять на реактивность катализатора.

Это предполагает, что напряжение, которое растягивает атомную решетку катализатора, должно сделать катализатор более реактивным по отношению к молекулам, которые естественным образом хотят раздвинуть решетку. В то же время натяжение должно снизить реакционную способность молекул, которые хотят стянуть решетку вместе.

Сжатие — сжатие решетки — имеет обратный эффект.Новая теория не только помогает объяснить ранее озадачивающие результаты, но и делает новые важные прогнозы. В частности, он предсказывает способ разрушения традиционных масштабных соотношений между катализаторами и различными типами молекул.«Соотношения масштабирования означают, что при нормальных обстоятельствах, когда вы увеличиваете реакционную способность катализатора для одного химического вещества, это увеличивает реакционную способность также и для других химикатов», — сказал Петерсон. «Точно так же, если вы уменьшите реактивность для одного химического вещества, вы уменьшите ее для других».

Эти отношения масштабирования приводят к трудным компромиссам при попытке оптимизировать катализатор. Получение идеальной реакционной способности для одного химического вещества может привести к тому, что другое химическое вещество будет связываться слишком сильно (или слишком слабо), потенциально ингибируя некоторые стадии реакции. Но эта новая теория предполагает, что деформация может нарушить эти масштабные отношения, позволяя катализатору одновременно связывать одно химическое вещество более плотно, а другое — более свободно, в зависимости от естественного взаимодействия химического вещества с атомной решеткой катализатора и способа, на котором создается поле деформации. поверхность катализатора.«Теперь вы можете начать думать о действительно тонкой настройке катализаторов, чтобы они лучше работали на разных стадиях реакции», — сказал Петерсон. «Это может значительно улучшить характеристики катализатора, в зависимости от используемых химикатов».

Команда Петерсона начала составлять базу данных об общих реакционных химических веществах и их взаимодействиях с различными поверхностями катализаторов. Эта база данных может служить руководством для поиска реакций, которые могут выиграть от напряжения и нарушения масштабных соотношений.Между тем, Петерсон надеется, что проделанная ими работа предоставит этому каталитическому сообществу новый взгляд на деформацию.

«Мы пытаемся создать структуру, которая обеспечивает более интуитивное понимание того, как деформация работает в катализе», — сказал Петерсон. «Поэтому, когда люди разрабатывают новые катализаторы, они могут думать о том, как лучше использовать эти эффекты напряжения».


Портал обо всем